馬蘭礦綜采工作面氣水霧化降塵技術實踐

劉賢臣

（山焦西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

煤礦采煤工作面開采破煤強度大，高強度采煤造成粉塵濃度超標[1-2]。高濃度粉塵容易引發作業人員塵肺病等呼吸性系統疾病，我國每年新增約1.5 萬名塵肺病患者，目前塵肺病患者總數達到了80 萬人[3]。由于塵肺病是一種幾乎無法治愈的慢性疾病，粉塵成為我國最嚴重的職業危害源之一。同時，高濃度煤塵在明火條件下還可能造成煤塵爆炸或瓦斯煤塵爆炸，這種事故比瓦斯爆炸、火災危害性更大。目前煤礦井下通常采用煤層注水、水霧除塵、泡沫除塵、除塵器吸塵等多種降塵技術，根據工作地點具體產塵條件選用更合適的降塵技術是高效、低成本治理粉塵的重要步驟[4-5]。采煤工作面產塵地點較多，不同地點的產塵特征存在較大差異，因此需要根據不同產塵點分別制定粉塵治理方案，實現高效治理。本文以馬蘭礦采煤面為例，現場實測了其從進風巷到回風巷的粉塵濃度變化規律，針對采煤機滾筒、轉載點、液壓支架移架等多個產塵位置分別采用了不同類型的降塵措施，粉塵治理效果顯著[6-7]，可為其他類似采煤面粉塵治理提供參考。

1 10607 綜采工作面概況

馬蘭礦10607 采煤工作面開采2#煤層，煤層平均厚度1.9 m，平均傾角7.5°，普氏硬度1.5，煤種為焦煤。煤質工業分析結果如表1 所示。10607 綜采工作面標高896～971 m，走向長675 m、傾向長160 m，可采儲量為61 011 t。工作面絕對瓦斯涌出量15.02 m3/min，為Ⅱ類自燃煤層，自然發火期128 d，煤塵具有爆炸性，游離二氧化硅含量6.14%。采煤機型號為MG250/600，割煤深度為0.8 m，采高1.6～3 m。工作面正常開采時的供風量為570 m3/min。

表1 工業分析結果

2 10607 綜采面粉塵濃度分布

2.1 粉塵濃度測定方案

根據國家規定，粉塵測定儀器選用AKFC-92A粉塵采樣器，采樣時間為10 min，采樣流量為10 L/min，采樣器固定高度為1.5 m（工人呼吸帶高度），利用不同種類的采樣頭分別采取總粉塵和呼吸性粉塵。每個測點均采取3 次樣品最終取平均值。粉塵濃度根據采樣濾膜的質量變化來計算，如式（1）所示[6]。

式中：c 為粉塵濃度，mg/m3；m1為濾膜采樣后的質量，mg；m0為濾膜的初始質量，mg；Q 為采樣器采樣流量，L/min；t 為采樣時間，min。

采煤面的測塵點布置如圖1 所示，從采煤面進風巷開始，共布置有6 個測塵點，A 點距離工作面500 m，測點B 距離工作面100 m，C 測點為進風巷和采煤面交界處，D 測點位于采煤機上風側10 m，E 測點位于采煤機下風測10 m，F 測點為回風巷出口處。

圖1 采煤面測塵點布置

采煤機是采煤面最主要的產塵地點。采煤機在工作面往復截割運動時還存在順風割煤和逆風割煤兩種條件，因此在采煤機前后設置了7 個測點，深入分析不同位置在順風和逆風割煤時的粉塵濃度變化，此時1 號、2 號和3 號測點分別為采煤機上風側30 m、10 m 和5 m 處，測點4 位于采煤機中間，5、6 和7 號測點與1、2、3 號測點對稱分布。

2.2 粉塵濃度分布特征

采煤工作面粉塵濃度沿程變化如圖2 所示，從進風巷開始到采煤工作面再到回風巷，粉塵濃度先上升后下降，在A 測點和B 測點處粉塵濃度基本為0，這是由于進風巷的新鮮風流中幾乎沒有粉塵存在。在進風巷和采煤面交界處（C 點），存在一個轉載點破碎機，大煤塊的破碎過程會產生粉塵，但與采煤機附近相比，粉塵濃度依然較低。

圖2 采煤面沿程粉塵濃度變化

粉塵產生后順風流向下風側回風巷內流動，因此采煤機下風側粉塵濃度顯著高于采煤機上風側。但采煤機上風側的粉塵濃度高于轉載點處，這是由于采煤機上風側滾筒割煤時旋轉截割強度較大，粉塵產生時具有一定的初始速度，且大范圍煤塊從煤壁掉落至底板，產生較大范圍的沖擊揚塵，使得距離滾筒較遠處依然有大量粉塵存在?；仫L巷內粉塵濃度較低，粉塵在隨氣流擴散過程中始終受到重力作用，沿途逐漸沉降，同時還會受到周圍巷道的阻隔作用，運移至回風巷F 點時濃度較低。這更加說明了需要重點關注采煤機局部范圍內的粉塵濃度擴散特征。

采煤機逆風和順風割煤條件下的粉塵濃度變化如圖3 所示。從圖1 測塵點布置示意圖可以看出，2、3 測點和5、6 測點能夠分別代表采煤機上風側滾筒和下風側滾筒附近的粉塵濃度。逆風和順風條件的粉塵濃度曲線都呈現先上升后下降的趨勢，峰值出現在第6 個測塵點處，說明下風側滾筒附近的粉塵都高于上風側滾筒。整體來看，逆風割煤時各測點處的粉塵濃度高于順風割煤條件，如逆風割煤時全塵平均濃度最高可達610 mg/m3，而順風割煤時全塵平均濃度約為580 mg/m3。這主要是由于逆風割煤時，前滾筒位于上風側高位，割煤時產生的粉塵隨風流向機身方向運移，由于機身的阻隔，氣流發生紊亂，造成粉塵局部積聚，進而粉塵濃度較高。而順風割煤時，前滾筒位于下風側高位，產生的粉塵隨風流直接向機道遠方運移，沒有物體阻攔。需要指出的是，在采煤機機身附近，機道內氣流可通過的面積減小，受采煤機機身和滾筒阻隔影響，氣流出現較大強度的紊亂現象，粉塵可能會隨之向人行道內擴散，直接污染作業人員身心健康。因此需要對采煤機滾筒割煤產塵問題進行重點治理。

圖3 逆風和順風割煤條件下的粉塵濃度

3 氣水霧降塵效果

3.1 降塵技術應用

針對轉載點產塵問題，設計了如圖4 所示的氣水霧化裝置，固定在轉載點處，向下皮帶落煤點處噴射氣水霧，氣水霧噴嘴為擴散角60°的噴頭。

圖4 破碎機氣水霧

在回風巷距離工作面5 m 處設置全斷面氣水幕簾如圖5 所示，供水量為4 L/min，形成的水幕能夠凈化巷道斷面的含塵空氣； 利用紅外傳感器控制水流開關，當檢測到工作人員通過時關閉供水開關，只保留氣流噴出，既能夠避免水滴打濕作業人員衣物，又能夠維持向上風向的空氣噴射，形成空氣幕阻隔粉塵運移。

圖5 全斷面氣水幕簾

采煤機外噴霧裝置如圖6 所示，其內部有5個霧化噴頭，外部為保護結構，避免割煤時煤體碎塊掉落砸向霧化噴頭。外噴霧和采煤機聯動，當采煤機開機割煤時自動開啟外噴霧，外噴霧裝置向滾筒處噴射霧滴，噴嘴擴散角度為45°，供水流量為5 L/min，供水壓力為6 MPa。

圖6 采煤機外噴霧

3.2 降塵效果分析

比較降塵措施前、后的粉塵濃度，可以得到降塵措施的降塵率，在采煤機下風側10 m 處和采煤機回風側距離工作面10 m 處分別布置兩個測塵點，測塵結果如表2 所示。除塵率按照公式（2）計算。

式中：μ 為除塵率，%；c1為沒有降塵措施時的粉塵濃度，mg/m3；c2為采用綜合降塵措施后的粉塵濃度，mg/m3。

沒有使用降塵技術時，采煤機下風測10 m 的全塵和呼塵濃度分別為632.6 mg/m3和189.7 mg/m3，使用降塵技術降塵以后全塵和呼塵濃度僅為8 mg/m3和2.8 mg/m3，降塵效果達到了98.7%和98.5%。沒有使用降塵技術時回風巷距離工作面10 m 處的全塵和呼塵平均濃度分別為353.2 mg/m3和84.6 mg/m3，降塵后濃度分別為4.3 mg/m3和1.4 mg/m3，降塵率分別達到了98.8%和98.3%。

4 結語

采煤機割煤產塵是采煤面的主要塵源。采煤機逆風割煤時，產塵濃度普遍高于順風割煤，下風側滾筒附近粉塵高于上風側滾筒。使用氣水霧降塵技術后采煤機下風測10 m 全塵和呼塵濃度分別從632.6 mg/m3和189.7 mg/m3降低到8 mg/m3和2.8 mg/m3，降塵效果達到了98.7%和98.5%；回風巷距離工作面10 m 處的全塵和呼塵平均濃度從353.2 mg/m3和84.6 mg/m3降低至4.3 mg/m3和1.4 mg/m3，降塵率分別達到了98.8%和98.3%。